全球三大液氧甲烷发动机:美国占据前二,中国位居第三

利刃号

发布时间:02-0514:01

利刃/纵横论

我们可以畅想在未来的某一天,人类可以自由地往返于地球和太空之间,在太空建立新的家园,虽然这一天目前看来还十分遥远,但是科技的不断进步必然使得这一天到来。要实现这样的梦想,有许多步骤要一步步地完成,其中之一就是要拥有成熟、可靠且价格可以接受的商用火箭。如果每一次送上太空都需要耗费巨资,运力还不怎么大的话,要建立太空家园可就非常难办了。为了顺应人类探索太空的梦想,科学家们不断地探讨如何建造更加先进的火箭,在一系列的技术论证之后,液氧甲烷火箭发动机成为了人类的首选。

目前,人类航天火箭主流使用液氧液氢火箭发动机,液氢的密度低,同样的燃料载重可以携带更多的液氢,同时液氢火箭发动机的比冲也很高。相比起来,液氧甲烷火箭发动机的比冲不足,且液氧甲烷的密度比液氧液氢实在高了太多,会占用火箭宝贵的运力。不过,即使存在这些缺点,人类未来商用火箭恐怕还是得依靠液氧甲烷火箭发动机。

原因在于,甲烷的在价格上有很大优势:甲烷的价格约为5元/千克,而液氢的价格则为300元/千克。同时,液氧液氢发动机和液氧甲烷火箭发动机,是唯二的两种使用后不会造成积焦或积炭问题的发动机,这两款是重复使用火箭的主要选项,这样一来就只能二选一,选择价格较低的液氧甲烷火箭发动机是可以理解的。放眼目前的国际市场,中国和美国占据了液氧甲烷火箭发动机的龙头,但美国的优势确实巨大。

首先,排名的第一的是美国SpaceX公司的猛禽液氧甲烷火箭发动机,听名字就看得出其技术水平应该不会低。猛禽液氧甲烷火箭发动机掌握了全流量分级燃烧技术,发动机的主燃烧室中富氧燃气和富燃燃气互相碰撞,可以使得推进剂的燃烧效率最大化。这种设计的技术要求非常高,如何保证发动机的稳定性是一个巨大的难题。不过最终,猛禽液氧甲烷火箭发动机虽然没有达到希望的310吨推力,但其实际推力200吨,仍然是世界第一的存在。而除去SpaceX之外,亚马逊公司下属的蓝色起源公司推出自己的BE-4液氧甲烷火箭发动机,这种发动机的理论上最高可以提供240吨级的推力,也是可以重复使用的火箭发动机,如果未来猛禽发动机不能达到理想设计,那么世界第一的宝座将被这种火箭占据。

除去美国的这两款先进火箭发动机之外,同为世界航天大国的中国也有自己的液氧甲烷火箭发动机产品,那就是TQ-12"天鹊"。这款火箭发动机是继上述两款美国产品之后,第三款完成了全系统测试考核的大推力液氧甲烷火箭发动机,它在2019年5月17日试车成功,是非常新的产品。这款发动机同样具备可重复使用、低成本、高性能等优点,其地面推力约67吨,真空推力约80吨,属于重型火箭发动机行列。虽然比起美国最新产品还有差距,但它为我国积累这方面的技术打下了坚实的基础。值得一提的是,现在推力最大的发动机为俄罗斯RD-180发动机,但其难以重复使用,因此并不是未来民用航天的首选。

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